(57)【要約】顕微鏡装置は、第１の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、液晶層を有し、直線偏光にその液晶層を透過させることにより、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、物体面で反射された光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光を受光し、光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、偏光変換素子が有する液晶層に、第１の波長に応じた電圧を印加するコントローラとを有する。偏光変換素子は、対物レンズの光源側の瞳面に配置される。
2011105618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長を持つ直線偏光を出力する第１の光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、前記直線偏光に当該液晶層を透過させることにより、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記物体面からの光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光を受光し、当該光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、
前記偏光変換素子が有する前記液晶層に前記第１の波長に応じた電圧を印加するコントローラと、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第１の透明電極間に前記第１の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、前記第１の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第２の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は、前記偏光面回転素子に入射した直線偏光の偏光面となす角度が、前記第１の交点及び当該領域を通る所定の直線と前記偏光面との間の角度の１／２となる方向であり、
前記二つの透明電極間に前記第１の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記偏光面回転素子は、前記直線偏光のうち、前記複数の領域のそれぞれを透過した成分の偏光面を、前記直線偏光の偏光面と前記配向方向のなす角の２倍の角度回転させて前記所定の線と平行にする、請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記複数の領域のそれぞれにおける前記所定の線は、前記第１の交点を通り、かつ当該領域を２等分する線である、請求項２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記複数の領域のうち、前記直線偏光の偏光面に平行でかつ前記光軸を通る面と交差する二つの領域の何れか一方を第１の領域とし、前記複数の領域の総数をＮとしたときに該第１の領域に対して時計回りまたは反時計回りの順にｎ番目の領域における前記配向方向と、前記第１の領域に入射する前記直線偏光の偏光面とがなす角度θが、
θ＝３６０°×（ｎ−１）／（２Ｎ）
となるように、前記複数の領域のそれぞれにおける前記配向方向が設定され、ここでｎは１からＮの何れかの整数である、請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記位相反転素子は、
液晶分子が含まれる第２の液晶層と、
該第２の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第２の透明電極とを有し、
前記二つの第２の透明電極のうちの一方は、前記第１の輪帯部分に対応した複数の輪帯電極であり、該輪帯電極と前記二つの第２の透明電極の他方との間に前記第１の波長に応じた電圧を印加することにより、前記第１の輪帯部分に入射する前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を反転させる、請求項１〜４の何れか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記位相反転素子は、前記偏光面回転素子の入射側に配置され、
前記第２の液晶層に含まれる液晶分子は、前記位相反転素子に入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に沿って配向される、請求項５に記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記位相反転素子は、前記偏光面回転素子の出射側に配置され、
前記第２の液晶層に含まれる液晶分子は、前記第２の交点を中心とした放射状に配向される、請求項５に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記第１の波長と異なる第２の波長を持つ直線偏光を出力し、当該第２の波長を持つ直線偏光が前記偏光変換素子及び前記対物レンズを通って前記物体面に集光されるように配置された第２の光源をさらに有し、
前記コントローラは、前記第１の光源及び前記第２の光源のうちの何れか一方を点灯させるとともに、当該点灯中の光源から出力される直線偏光の波長に応じた電圧を前記二つの第１の透明電極間及び前記二つの第２の透明電極間に印加する、請求項５〜７の何れか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層を透過した前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記物体面で反射された光を結像する結像レンズと、
前記結像レンズにより結像された光を受光し、当該光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、
前記偏光変換素子が有する前記液晶層に前記所定の波長に応じた電圧を印加する駆動回路と、
前記信号が最大となるように前記駆動回路が出力する電圧を調節するコントローラと、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第１の透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、前記第１の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第２の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１０】
所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、
液晶分子が含まれる液晶層を有し、当該液晶層を透過した前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、
前記ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、
前記所定の波長に応じた電圧を前記液晶層に印加する駆動回路と、
を有し、
前記偏光変換素子は、前記対物レンズの前記光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、前記直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有し、
前記偏光面回転素子は、前記液晶層と、該液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、
前記液晶層は、前記偏光面回転素子と前記光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、前記複数の領域のそれぞれに含まれる前記液晶分子の配向方向は互いに異なり、
前記液晶層の前記複数の領域のそれぞれは、前記二つの第１の透明電極間に前記所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、前記直線偏光のうちの当該領域を透過した成分の偏光面を、当該領域に含まれる前記液晶分子の配向方向に応じて前記第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させ、
前記位相反転素子は、該位相反転素子と前記光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、前記第１の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相を、前記第２の輪帯部分に入射した前記直線偏光または前記ラジアル偏光の位相に対して反転させる、
ことを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子を用いた顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、照明光源としてレーザを用い、照明光源から出力されたレーザ光をサンプルに照射することにより、そのサンプルを観測する顕微鏡装置が利用されている。このような顕微鏡装置では、より解像度を高くするために、照明光源から照射され、サンプルに集光されるビームスポットの径が小さいほど望ましい。一般に、ビームスポットの最小径は、回折限界によって規定され、その最小径は波長に比例する。そのため、光源から照射される光の波長が短いほど、ビームスポットの径も小さくできる。【０００３】
しかし、波長が短い光を発する光源、例えば、紫色または紫外光を発するレーザは、それよりも長い波長、例えば、緑色または赤色光を発する光源よりも一般に高価である。また、一般に、紫色から紫外にわたる波長範囲では、波長が短くなるにつれて光学材料の透過率も低下する。そのため、紫色または紫外光に対して高い透過率を持つ光学材料の種類は限られてくる。【０００４】
そこで、ラジアル偏光が注目されている。ラジアル偏光は、光軸を中心として、直線偏光の偏光面が放射状に分布する偏光である。ラジアル偏光を集光レンズにより焦点を結ばせることにより、焦点面に集光された光がｚ偏光（すなわち、光の伝播方向と電界方向が同じとなる偏光）となり、ＸまたはＹ偏光の回折限界によるビームスポット径よりも小さいスポット径に光を集光させることが可能であることが報告されている。また、ラジアル偏光を用いることにより、光軸に沿ってビーム径が狭い範囲が長くなり、これにより焦点深度も深くなることも報告されている（例えば、特開２００８−３９８８２号公報、Ｃｈｉｎ−Ｃｈｅｒｎｇ  Ｓｕｎ、Ｃｈｉｎ−Ｋｕ  Ｌｉｕ、“Ｕｌｔｒａｓｍａｌｌ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｓｐｏｔ  ｗｉｔｈ  ａ  ｌｏｎｇ  ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｆｏｃｕｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ”、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、２００３年、第２８巻、第２号、ｐ．９９−１０１及びＨＡＩＦＥＮＧ  ＷＡＮＧ等、“Ｃｒｅａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｎｅｅｄｌｅ  ｏｆ  ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｉｎ  ｖａｃｕｕｍ  ｕｓｉｎｇ  ｂｉｎａｒｙ  ｏｐｔｉｃｓ”、Ｎａｔｕｒｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２００８年、第２巻、ｐ．５０１−５０５を参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなラジアル偏光を生成するために、例えば、光軸方向に対して直交する面において複数の半波長板が並び、かつ各半波長板の光学軸の方向が異なるように貼り合わせた偏光変換素子が用いられる。また、フォトニック結晶を用いて、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子も提案されている。【０００６】
しかし、半波長板及びフォトニック結晶では、入射する光の波長が変化すれば、常光線と異常光線との間に生じる位相差も変化する。そのため、半波長板またはフォトニック結晶を用いた偏光変換素子は、その偏光変換素子に入射する光線の波長が設計波長と異なると、入射光線をラジアル偏光に変換することができなくなる。【０００７】
そこで、本発明は、所定の波長域に含まれる何れの波長を持つ照明光を用いても、回折限界により規定される分解能よりも高い分解能を有する顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの側面によれば、顕微鏡装置が提供される。この顕微鏡装置は、第１の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、液晶分子が含まれる液晶層を有し、直線偏光にその液晶層を透過させることにより、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、物体面からの光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、偏光変換素子が有する液晶層に第１の波長に応じた電圧を印加するコントローラとを有する。
偏光変換素子は、対物レンズの光源側に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子を有する。偏光面回転素子は、上記の液晶層と、その液晶層を挟んで対向するように配置された二つの透明電極とを有し、液晶層は偏光面回転素子と光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は互いに異なり、液晶層の複数の領域のそれぞれは、二つの第１の透明電極間に第１の波長に応じた電圧が印加されることにより、直線偏光のうちのその領域を透過した成分の偏光面を、その領域に含まれる液晶分子の配向方向に応じて第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させる。これにより、偏光面回転素子は直線偏光をラジアル偏光に変換する。
また位相反転素子は、その位相反転素子と光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、第１の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相を、第２の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相に対して反転させる。【０００９】
複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は、偏光面回転素子に入射した直線偏光の偏光面となす角度が、第１の交点及びその領域を通る所定の直線と偏光面との間の角度の１／２となる方向であり、二つの透明電極間に第１の波長に応じた電圧が印加されることにより、偏光面回転素子は、入射した直線偏光のうち、複数の領域のそれぞれを透過した成分の偏光面を、その直線偏光の偏光面と配向方向のなす角の２倍の角度回転させて所定の線と平行にすることが好ましい。【００１０】
また、複数の領域のそれぞれにおける所定の線は、第１の交点を通り、かつその領域を２等分する線であることが好ましい。【００１１】
さらに、複数の領域のうち、偏光面回転素子に入射する直線偏光の偏光面に平行でかつ光軸を通る面と交差する二つの領域の何れか一方を第１の領域とし、複数の領域の総数をＮとしたときに第１の領域に対して時計回りまたは反時計回りの順にｎ番目の領域における配向方向と、第１の領域に入射する直線偏光の偏光面とがなす角度θが、
θ＝３６０°×（ｎ−１）／（２Ｎ）
となるように、複数の領域における配向方向が設定されることが好ましい。ただしｎは、１からＮまでの何れかの整数である。【００１２】
また、位相反転素子は、液晶分子が含まれる第２の液晶層と、第２の液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第２の透明電極とを有し、二つの第２の透明電極のうちの一方は、第１の輪帯部分に対応した複数の輪帯電極であり、輪帯電極と二つの第２の透明電極の他方との間に第１の波長に応じた電圧を印加することにより、位相反転素子は、第１の輪帯部分に入射する直線偏光またはラジアル偏光の位相を反転させることが好ましい。【００１３】
この場合において、位相反転素子は、偏光面回転素子の入射側に配置され、第２の液晶層に含まれる液晶分子は、位相反転素子に入射する直線偏光の偏光面と平行な方向に沿って配向されることが好ましい。【００１４】
あるいは、位相反転素子は、偏光面回転素子の出射側に配置され、第２の液晶層に含まれる液晶分子は、第２の交点を中心とした放射状に配向されることが好ましい。【００１５】
また顕微鏡装置は、第１の波長と異なる第２の波長を持つ直線偏光を出力し、第２の波長を持つ直線偏光が偏光変換素子及び対物レンズを通って物体面に集光されるように配置された第２の光源をさらに有することが好ましい。この場合において、コントローラは、第１の光源及び第２の光源のうちの何れか一方を点灯させるとともに、点灯中の光源から出力される直線偏光の波長に応じた電圧を二つの第１の透明電極間及び二つの第２の透明電極間に印加することが好ましい。【００１６】
本発明の他の側面によれば、光ピックアップ装置が提供される。この光ピックアップ装置は、所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層を透過した直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、物体面で反射された光を結像する結像レンズと、結像レンズにより結像された光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、偏光変換素子が有する液晶層に所定の波長に応じた電圧を印加する駆動回路と、受光した光の強度に応じた信号が最大となるように駆動回路が出力する電圧を調節するコントローラとを有する。
偏光変換素子は、対物レンズの光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有する。偏光面回転素子は、上記の液晶層と、その液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、液晶層は、偏光面回転素子と光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は互いに異なる。液晶層の複数の領域のそれぞれは、二つの第１の透明電極間に所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、直線偏光のうちのその領域を透過した成分の偏光面を、その領域に含まれる液晶分子の配向方向に応じて第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させる。これにより、偏光面回転素子は直線偏光をラジアル偏光に変換する。
また位相反転素子は、位相反転素子と光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、第１の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相を、第２の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相に対して反転させる。【００１７】
本発明のさらに他の側面によれば、光照射装置が提供される。この光照射装置は、所定の波長を持つ直線偏光を出力する光源と、液晶分子が含まれる液晶層を有し、その液晶層を透過した直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子と、ラジアル偏光を物体面に集光する対物レンズと、光源から出力される直線偏光の波長に応じた電圧を液晶層に印加する駆動回路とを有する。
偏光変換素子は、対物レンズの光源側の瞳面に配置され、光軸に沿って配置された、入射光の一部の位相を反転する位相反転素子と、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子とを有する。偏光面回転素子は、上記の液晶層と、その液晶層を挟んで対向するように配置された二つの第１の透明電極とを有し、液晶層は、偏光面回転素子と光軸との第１の交点を中心とする円周方向に沿って配置された複数の領域を有し、複数の領域のそれぞれに含まれる液晶分子の配向方向は互いに異なる。液晶層の複数の領域のそれぞれは、二つの第１の透明電極間に所定の波長に応じた電圧が印加されることにより、直線偏光のうちのその領域を透過した成分の偏光面を、その領域に含まれる液晶分子の配向方向に応じて第１の交点を中心とする放射方向に平行となるように回転させる。これにより、偏光面回転素子は直線偏光をラジアル偏光に変換する。
また位相反転素子は、位相反転素子と光軸との第２の交点を中心とした放射方向に沿って交互に配置された第１の輪帯部分及び第２の輪帯部分を有し、第１の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相を、第２の輪帯部分に入射した直線偏光またはラジアル偏光の位相に対して反転させる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る顕微鏡装置、光ピックアップ装置及び光照射装置は、偏光変換素子が有する液晶に印加する電圧を調節することにより、所定の波長域に含まれる何れの波長を持つ照明光を用いても、回折限界により規定される分解能よりも高い分解能を有するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
図２は、本発明の一つの実施形態に係る顕微鏡装置で用いられる偏光変換素子の概略正面図である。
図３（Ａ）は、図２のＸＸ′の矢印で表された線における、電圧が印加されていないときの偏光変換素子の概略側面断面図であり、図３（Ｂ）は、図２のＸＸ′の矢印で表された線における、電圧が印加されたときの偏光変換素子の概略側面断面図である。
図４は、位相反転素子の透明電極の概略正面図である。
図５は、偏光面回転素子の液晶層の各領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光成分の偏光方向を示す図である。
図６は、偏光変換素子から出射したラジアル偏光の概略を示す図である。
図７は、偏光面回転素子の液晶層が互いに配向方向の異なる６個の領域を有する場合における、各領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光成分の偏光方向を示す図である。
図８は、偏光面回転素子が有する透明電極間の液晶層に印加される電圧とその液晶層により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ、変形例による、位相反転素子に設けられた入射側の透明電極の概略正面図である。
図１０（Ａ）は第２の実施形態に係る偏光変換素子の概略背面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＹＹ′の矢印で表された線における、第２の実施形態に係る偏光変換素子の概略側面断面図である。
図１１（Ａ）は、変形例による位相反転素子の一方の側の透明電極の構造を示す概略正面図であり、図１１（Ｂ）は、変形例による位相反転素子の他方の側の透明電極の構造を示す概略背面図である。
図１２は、他の実施形態による、偏光変換素子を利用した光照射装置の一例である光ピックアップ装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による、顕微鏡装置について説明する。この顕微鏡装置は、対物レンズの入射瞳面に配置された、照明光である直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子を有する。これにより、この顕微鏡装置は、対物レンズの焦点面においてｚ偏光効果を生じさせることで、回折限界によって規定されるスポット径よりも小さいスポット径を持つように、照明光源からの光を集光する。また偏光変換素子が、照明光の偏光面を制御するための液晶層を有し、その液晶層に印加される電圧を調節することで、この顕微鏡装置は、所定の波長域に含まれる任意の波長の直線偏光である照明光を用いても、照明光をラジアル偏光にすることを可能とする。
【００２１】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。図１に示されるように、顕微鏡装置１００は、光源１０１と、コリメートレンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３と、偏光変換素子１０４と、対物レンズ１０５と、集光レンズ１０６と、マスク板１０７と、受光素子１０８と、可動ステージ１０９と、アクチュエータ１１０と、コントローラ１１１とを有する。
受光素子１０８、マスク板１０７、集光レンズ１０６、ビームスプリッタ１０３及び対物レンズ１０５は、集光レンズ１０６と対物レンズ１０５によって規定される光軸ＯＡに沿って一列に配置される。またビームスプリッタ１０３の側面には、光軸ＯＡと直交する方向に沿って光源１０１とコリメートレンズ１０２と偏光変換素子１０４とが一列に配置される。
【００２２】
光源１０１から放射された直線偏光である照明光は、コリメートレンズ１０２を通った後、偏光変換素子１０４を透過する。そしてその照明光は、偏光変換素子１０４を透過することによってラジアル偏光に変換される。その後、ラジアル偏光となった照明光は、ビームスプリッタ１０３により反射され、対物レンズ１０５によって可動ステージ１０９上に配置されたサンプル１２０の表面または内部に設定された、観察対象となる物体面に焦点を結ぶ。物体面で反射または散乱され、若しくは蛍光発光した光は、再び対物レンズ１０５を通った後、ビームスプリッタ１０３を直進する。その後、物体面で反射または散乱され、若しくは蛍光発光した光は、集光レンズ１０６によって受光素子１０８上に集光される。そしてコリメートレンズ１０２、対物レンズ１０５及び集光レンズ１０６は、共焦点光学系を構成し、光源１０１からの光が物体面において焦点を結ぶ場合に、その焦点からの光が受光素子１０６においても集光される。
なお、理解を容易にするために図示していないが、顕微鏡装置１は、光路上に、球面収差用補償光学系など、各種の補償光学系を有していてもよい。
【００２３】
光源１０１は、直線偏光である照明光を出力する。そのために、光源１０１は、例えば、半導体レーザを有する。あるいは、光源１０１は、アルゴンイオンレーザといったガスレーザ、またはＹＡＧレーザといった固体レーザを有していてもよい。光源１０１から出力される照明光が直線偏光でない場合、光源１０１とコリメートレンズ１０２の間に、照明光を直線偏光にするために検光子が配置されてもよい。
さらに、光源１０１は、所定の波長域、例えば、３５１ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲に含まれる、互いに異なる波長の光を出力する複数の発光素子を有していてもよい。この場合、光源１０１は、コントローラ１１１からの制御信号に従って、何れか一つの発光素子に照明光を出力させる。
【００２４】
コリメートレンズ１０２は、光源１０１とビームスプリッタ１０３の間において、コリメートレンズ１０２の前側焦点に光源１０１が位置するように配置される。そしてコリメートレンズ１０２は、光源１０１から出力された照明光を平行光にする。平行光となった照明光は、偏光変換素子１０４へ入射する。
【００２５】
偏光変換素子１０４は、対物レンズ１０５の前側瞳面に配置されることが好ましい。特に、本実施形態では、偏光変換素子１０４は、物体面からの光が偏光変換素子１０４を透過しないように、コリメートレンズ１０２とビームスプリッタ１０３の間に配置される。そして偏光変換素子１０４は、液晶層を有し、その液晶層を透過した照明光の偏光方向を変化させることにより、直線偏光を持つ照明光をラジアル偏光に変換する。なお、偏光変換素子１０４は、物体面からの光も偏光変換素子１０４を透過するように、ビームスプリッタ１０３と対物レンズ１０５の間に配置されてもよい。
なお、偏光変換素子１０４の詳細については後述する。
【００２６】
ビームスプリッタ１０３は、対物レンズ１０５と集光レンズ１０６の間に配置される。そしてビームスプリッタ１０３は、コリメートレンズ１０２から入射した照明光を対物レンズ１０５へ向けて反射する。一方、ビームスプリッタ１０３は、光軸ＯＡに沿って入射した光を直進させる。
【００２７】
対物レンズ１０５は、偏光変換素子１０４から出射し、ビームスプリッタ１０３にて反射されたラジアル偏光に、物体面上に焦点を結ばせる。この場合、焦点近傍では、対物レンズ１０５により集光された光はｚ偏光となる。そのため、焦点近傍における光のスポット径は、回折限界により規定されるスポット径よりも小さくすることができる。例えば、本実施形態によるスポット径は、回折限界により規定されるスポット径の約１．５〜約１．７分の１となる。また、集光された光の焦点深度も大きくすることができる。
【００２８】
さらに、対物レンズ１０５には、焦点位置を調節するためのアクチュエータ１１０が取付けられている。アクチュエータ１１０が、図中の矢印Ｚの方向、すなわち光軸ＯＡに平行な方向に沿って対物レンズ１０５を移動させることによって、照明光の焦点位置が光軸ＯＡ方向に移動する。またアクチュエータ１１０は、コントローラ１１１と接続され、コントローラ１１１からの制御信号に応じて対物レンズ１０５を移動させる。
【００２９】
物体面において反射または散乱された光は、再度対物レンズ１０５を透過して平行光となる。そしてその光は、ビームスプリッタ１０３を透過し、集光レンズ１０６に入射する。そして集光レンズ１０６に入射した光は、受光素子１０８によって受光される。
【００３０】
マスク板１０７は、集光レンズ１０６と受光素子１０８の間で、集光レンズ１０６の焦点近傍に配置される。そしてマスク板１０７には、光軸ＯＡに沿ってピンホール１０７ａが形成されている。これにより、対物レンズ１０５の焦点位置近傍から反射または散乱され、若しくは蛍光発光した光は、平行光として集光レンズ１０６に入射し、集光レンズ１０６によってピンホール１０７ａの近傍で焦点を結ぶので、ピンホール１０７ａを通って受光素子１０８に達することができる。一方、対物レンズ１０５の焦点位置から外れた位置からの光は、マスク板１０７によって遮られ、受光素子１０８に達しない。そのため、顕微鏡装置１００は、コントラストの高いサンプル１２０の像を得ることができる。
【００３１】
受光素子１０８は、例えば、アレイ状に配列された複数のＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳなどの半導体受光素子を有する。そして各半導体受光素子は、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する。そして受光素子１０８は、各半導体受光素子が出力した電気信号を平均し、その平均値に相当する電気信号を、受光した光の強度を表す光強度信号としてコントローラ１１１へ伝達する。あるいは、受光素子１０８は、光電子増倍管を有していてもよい。そして受光素子１０８は、光電子増倍管が受光し多光の強度に応じた電気信号を生成し、その電気信号を受光した光の強度を表す光強度信号としてコントローラ１１１へ伝達する。
【００３２】
可動ステージ１０９は、サンプル１２０を載置するためのステージである。また可動ステージ１０９は、例えば、いわゆるＸＹステージとすることができ、光軸ＯＡに対して直交する面内において、互いに直交する２方向に移動可能となっている。なお、以下では、便宜上、可動ステージ１０９が移動可能な一方の方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とする。そして可動ステージ１０９は、コントローラ１１１と通信可能に接続されている。そして可動ステージ１０９は、図示しないアクチュエータを有し、コントローラ１１１から受信した制御信号に従って、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に所定距離だけ移動する。
【００３３】
コントローラ１１１は、例えば、プロセッサと、メモリと、コントローラ１１１を顕微鏡装置１００の各部と接続するためのインターフェース回路とを有する。そしてコントローラ１１１は、光源１０１、偏光変換素子１０４、可動ステージ１０９及びアクチュエータ１１０を制御する。そしてコントローラ１１１は、光源１０１に対して所定の電力を供給することにより、光源１０１に照明光を出力させる。また光源１０１が複数の発光素子を有する場合、コントローラ１１１は、例えば、図示しないユーザインターフェースを介したユーザの操作に従って、複数の発光素子のうちの何れか一つの発光素子に照明光を出力させる制御信号を光源１０１へ送信する。
【００３４】
またコントローラ１１１は、対物レンズ１０５を光軸ＯＡに沿って所定距離だけ移動させる制御信号をアクチュエータ１１０へ送信する。アクチュエータ１１０は、コントローラ１１１からその制御信号を受信すると、対物レンズ１０５をその制御信号によって指示された距離だけ移動させる。
【００３５】
コントローラ１１１は、受光素子１０８から受信した光強度信号からサンプル１２０の表面または内部に設定された物体面の画像を生成する。そのために、コントローラ１１１は、可動ステージ１０９を所定位置へ移動させる制御信号を、可動ステージ１０９へ送信することにより、可動ステージ１０９を光軸ＯＡに直交する面内で移動させる。
そしてコントローラ１１１は、物体面上に２次元状に等間隔で設定された複数の測定点のそれぞれが、照明光のスポットに位置するように、可動ステージ１０９を移動させつつ、受光素子１０８から各測定点での光強度信号を受信する。そしてコントローラ１１１は、例えば、各測定点の光強度信号を一つの画素の値として画像を生成することにより、サンプル１２０の物体面における２次元画像を得ることができる。
また変形例によれば、画像取得のためにサンプル１２０をＸＹステージのような可動ステージで動かす代わりに、顕微鏡装置は、ガルバノミラー等を用いて光源１０１から発したレーザビームの向きを変えることにより、そのビームでサンプルを走査してもよい。
【００３６】
さらにコントローラ１１１は、図示しない駆動回路を有し、その駆動回路を介して偏光変換素子１０４に印加する電圧を調節することにより、偏光変換素子１０４が所定の波長を持つ直線偏光をラジアル偏光に変換できるように、偏光変換素子１０４を制御する。
そのために、コントローラ１１１は、光源１０１から出力される光の波長に応じた印加電圧が偏光変換素子１０４の各液晶層に印加されるように、駆動回路を制御する。
特に、光源１０１が、互いに波長の異なる光を出力する複数の発光素子を有している場合、コントローラ１１１は、発光させる発光素子に応じて、偏光変換素子１０４が有する液晶層に印加される電圧を調節する。
なお、駆動回路から偏光変換素子１０４が有する液晶層に対して印加される駆動電圧は、例えば、パルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧であってもよい。
【００３７】
また、光源１０１から出力される光の波長が、例えば、発光素子の温度に応じて変動することもある。そこでコントローラ１１１は、サンプル１２０の物体面における画像に基づいて、偏光変換素子１０４が有する液晶層に印加する電圧を調節してもよい。例えば、コントローラ１１１は、偏光変換素子１０４の液晶層に印加する電圧を変えて、可動ステージ１０９を２次元に移動させつつ、受光素子１０８からの光強度信号を取得することにより、印加した電圧に応じた物体面におけるサンプル１２０の画像を複数生成する。そしてコントローラ１１１は、電圧値と画像を対応付けて内蔵するメモリに記憶する。そして、コントローラ１１１は、画像が最も鮮明となる電圧値を決定し、その電圧を駆動回路を介して偏光変換素子１０４の液晶層に印加する。
【００３８】
なお、最も鮮明な画像を決定するために、コントローラ１１１は、例えば、得られた各画像を周波数変換してそれぞれ周波数画像を作成する。そしてコントローラ１１１は、各周波数画像を解析することにより、高周波数成分が最も高くなる周波数画像を特定し、特定された周波数画像に対応する画像を最も鮮明な画像と判定する。
【００３９】
以下、偏光変換素子１０４について説明する。
図２は、偏光変換素子１０４の概略正面図である。また図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ、図２に示された矢印Ｘ、Ｘ′で示された線における偏光変換素子１０４の概略側面断面図である。このうち、図３（Ａ）は、偏光変換素子１０４に電圧が印加されていないときの偏光変換素子１０４に含まれる液晶分子の状態を表し、図３（Ｂ）は、偏光変換素子１０４に電圧が印加されたときの偏光変換素子１０４に含まれる液晶分子の状態を表す。
【００４０】
図２及び図３（Ａ）に示すように、この偏光変換素子１０４は、位相反転素子２と、光軸ＯＡに沿って位相反転素子２に隣接して配置された偏光面回転素子３とを有する。
なお、偏光変換素子１０４に入射する照明光は、直線偏光であり、位相反転素子２側から入射する。そしてその直線偏光は、位相反転素子２及び偏光面回転素子３を透過することによってラジアル偏光に変換され、偏光面回転素子３から出射する。
また、説明の便宜上、偏光変換素子１０４に入射する照明光の偏光面は、図２の矢印Ａに示されるように、図２が表された面に直交し、かつ縦方向の面にあるものとする。
【００４１】
位相反転素子２は、入射した直線偏光のうち、光軸ＯＡを中心とする少なくとも一つの輪帯状の部分の位相を他の部分の位相に対して反転させる。そのために、位相反転素子２は、液晶層２０と、光軸ＯＡに沿って液晶層２０の両側に略平行に配置された透明基板２１、２２を有する。そして液晶層２０に含まれる液晶分子２７は、透明基板２１及び２２と、シール部材２８との間に封入されている。また位相反転素子２は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。なお、透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。透明電極２３と液晶層２０の間に配向膜２５が配置される。また透明電極２４と液晶層２０の間に配向膜２６が配置される。これら配向膜２５、２６は、液晶分子２７を所定の方向に配向させる。なお、液晶分子２７が、光配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜２５、２６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠２９が配置され、この鏡枠２９が、各基板を保持している。
【００４２】
図３（Ａ）に示されるように、液晶層２０に封入された液晶分子２７は、例えば、ホモジニアス配向となり、かつ、入射する直線偏光の偏光面と略平行な方向に配向されている。すなわち、液晶分子２７の長軸方向が、図２に示された矢印Ａと略平行に、液晶分子が配向される。
【００４３】
図４は、入射側に配置される位相反転素子２に設けられた透明電極２３の概略正面図である。一方、透明電極２４は、液晶層２０全体を覆うように形成される。なお、透明電極２４も、図４に示された透明電極２３の形状と同様の形状を有してもよく、あるいは、透明電極２４が図４に示された電極形状を有し、透明電極２３が液晶層２０全体を覆うように形成されてもよい。
【００４４】
透明電極２３は、光軸ＯＡと位相反転素子２の交点ｃ０を中心とする、同心円状の少なくとも一つの輪帯状の電極を有する。本実施形態では、透明電極２３は、４個の輪帯状電極２３ａ〜２３ｄを有する。これにより、液晶層２０には、輪帯状電極２３ａ〜２３ｄの何れかと透明電極２４に挟まれた第１の輪帯状部分と、一方の側にのみ透明電極２４が存在する第２の輪帯状部分とが、同心円状に交互に形成される。なお、輪帯状電極２３ｄの外周が、図２に示された領域２ａの外周に対応する。
【００４５】
図３（Ｂ）に示されるように、これら輪帯状電極２３ａ〜２３ｄと、液晶層２０を挟んで対向して配置された透明電極２４との間に、コントローラ１１１によって電圧が印加されると、それら第１の輪帯状部分２０ａに含まれる液晶分子の長軸方向が、光軸ＯＡに直交する方向から光軸ＯＡに平行な方向に近づくように液晶分子が傾く。一方、透明電極間に挟まれていない第２の輪帯状部分２０ｂに含まれる液晶分子は、その長軸が光軸ＯＡに直交する方向を向いたままとなる。
【００４６】
一般に、液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分（すなわち、異常光線）に対する屈折率ｎｅは、液晶分子の短軸方向に平行な偏光成分（すなわち、常光線）に対する屈折率ｎｏよりも高い。ここで、透明電極２３と２４との間に電圧が印加されたときの、第１の輪帯状部分２０ａに含まれる液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向、すなわち光軸ＯＡの方向とがなす角をψとすれば、液晶層２０を透過する光は、液晶分子２７の長軸方向に対して角ψをなす。このとき、液晶分子２７が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をｎψとすると、ｎｏ≦ｎψ≦ｎｅとなる。そのため、液晶層２０に含まれる液晶分子２７がホモジニアス配向されており、液晶層２０の厚さがｄであると、液晶層２０のうち、輪帯状電極２３ａ〜２３ｄと透明電極２４間に挟まれた第１の輪帯部分２０ａを通る偏光成分と、第２の輪帯部分２０ｂを通る偏光成分との間に、光路長差Δｎｄ（＝ｎψｄ−ｎｏｄ）が生じる。そしてそれら二つの偏光成分間に生じる位相差Δは、２πΔｎｄ／λとなる。なお、λは、液晶層２０に入射する光線の波長である。
【００４７】
このように、コントローラ１１１が透明電極２３と透明電極２４との間に印加する電圧を調節することにより、位相反転素子２は、液晶層２０を透過する光の位相を変調することができる。従って、透明電極２３と透明電極２４との間に入射光の波長に応じた所定の電圧が印加されると、位相反転素子２は、第１の輪帯部分２０ａを通る光の位相を、第２の輪帯部分２０ｂを通る光の位相に対してπだけずらすことができる。
【００４８】
偏光面回転素子３は、位相反転素子２を透過した後に入射した直線偏光を、光軸ＯＡと偏光面回転素子３との交点ｃ１を中心とした、放射状の直線偏光分布を持つラジアル偏光に変換する。そのために、偏光面回転素子３は、液晶層３０と、光軸ＯＡに沿って液晶層３０の両側に略平行に配置された透明基板３１、３２を有する。なお、透明基板３１と位相反転素子２の透明基板２２のうちの何れか一方が省略されてもよい。この場合、例えば、透明基板２２の一方の面に液晶層２０が形成され、透明基板２２の他方の面に液晶層３０が形成される。
【００４９】
また偏光面回転素子３は、透明基板３１と液晶層３０の間に配置された透明電極３３と、液晶層３０と透明基板３２の間に配置された透明電極３４とを有する。そして液晶層３０に含まれる液晶分子３７は、透明基板３１及び３２と、シール部材３８との間に封入されている。なお、透明基板３１、３２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極３３、３４は、例えば、ＩＴＯにより形成される。さらに、透明電極３３と液晶層３０の間に配向膜３５が配置される。また透明電極３４と液晶層３０の間に配向膜３６が配置される。これら配向膜３５、３６は、液晶分子３７を所定の方向に配向させる。なお、液晶分子３７が、光配向など、配向膜を用いない方法によって配向される場合、配向膜３５、３６は省略されてもよい。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠３９が配置され、この鏡枠３９が、各基板を保持している。なお、鏡枠２９と鏡枠３９とは、一体的に形成されてもよい。
【００５０】
液晶層３０に封入された液晶分子３７は、例えば、ホモジニアス配向される。また液晶層３０は、交点ｃ１を中心として、光軸ＯＡに直交する面内で円周方向に沿って配置された複数の扇形領域を含む。そして各扇形領域に含まれる液晶分子３７は、入射する直線偏光の偏光面が、光軸ＯＡを中心とした放射方向に略平行となるようにその偏光面を回転させるように配向される。
【００５１】
図５は、液晶層３０の各扇形領域における液晶の配向方向と、各扇形領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す液晶層３０の概略正面図である。
本実施形態では、液晶層３０は、時計回りに配置され、互いに配向方向が異なる８個の扇形領域３０ａ〜３０ｈを有し、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心角は等しくなるように設定される。また図５において、矢印４０ａ〜４０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ａ〜５０ｈは、それぞれ、各扇形領域３０ａ〜３０ｈから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ａ〜５０ｈのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。
なお、交点ｃ１を通って扇形領域を２等分する直線を、その扇形領域の中心線と呼ぶ。
【００５２】
各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、例えば、各扇形領域を透過した後の直線偏光成分の偏光面が、その透過した扇形領域の中心線と平行となるように決定される。そこで、光軸ＯＡと液晶層３０との交点ｃ１を通り、入射する直線偏光の偏光面Ａに平行な面と交差する扇形領域３０ａを１番目の領域とし、扇形領域３０ａから時計回りまたは反時計回りに第ｎ番目の扇形領域について、その扇形領域の配向方向と、扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角θは次式に従って設定される。
θ＝３６０°×（ｎ−１）／（２Ｎ）    （ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）        （１）
ただし、Ｎは扇形領域の総数であり、本実施形態ではＮ＝８である。
【００５３】
例えば、ｎ＝１である扇形領域３０ａでは、θ＝０となる。すなわち、扇形領域３０ａでは、入射する直線偏光の偏光面が回転することなく直線偏光が透過するように、液晶分子の配向方向は、入射する直線偏光の偏光面Ａと略平行に設定される。
【００５４】
また、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａを１番目の領域として時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°、１１２．５°、１３５°、１５７．５°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。
【００５５】
あるいは、第ｎ番目の扇形領域を、扇形領域３０ａから反時計回りにｎ番目の領域としたとき、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、−１５７．５°、−１３５°、−１１２．５°、−９０°、−６７．５°、−４５°、−２２．５°となるように、各扇形領域３０ｂ〜３０ｈの配向方向は設定される。
【００５６】
透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。そして透明電極３３と３４との間に、所定の波長域に含まれる波長に対して液晶層３０の扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能するように、コントローラ１１１によって所定の電圧が印加される。
ここで、透明電極３３と３４との間に電圧が印加されると、液晶分子がその電圧に応じて電圧が印加された方向に対して平行になる方向に傾く。液晶分子の長軸方向と、電圧が印加された方向とがなす角をψとすれば、液晶層３０を透過する光は、長軸方向に対して角ψをなす。このとき、上記のように、液晶分子が配向された方向と平行な偏光成分に対する液晶分子の屈折率をｎψとすると、ｎｏ≦ｎψ≦ｎｅとなる。ただし、ｎｏは液晶分子の長軸方向に直交する偏光成分に対する屈折率であり、ｎｅは液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。
【００５７】
そのため、液晶層３０に含まれる液晶分子がホモジニアス配向されており、液晶層３０の厚さがｄであると、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との間に、光路長差Δｎｄ（＝ｎψｄ−ｎｏｄ）が生じる。したがって、透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、液晶分子の配向方向に直交する偏光成分との光路長差を調節できる。そのため、コントローラ１１１が透明電極３３と３４との間に印加する電圧を調節することにより、光源１０１から出力される直線偏光が持つ波長に対して、扇形領域３０ａ〜３０ｈがそれぞれ半波長板として機能する。
【００５８】
各扇形領域３０ａ〜３０ｈが半波長板として機能する場合、液晶分子３７の配向方向に対して角度θをなす偏光面を有する直線偏光がそれら扇形領域を透過すると、その偏光面は、透過した扇形領域の配向方向に対して角度−θをなすように回転する。すなわち、偏光面は、配向方向を中心として、角度２θだけ回転する。
【００５９】
図５に示した例では、各扇形領域３０ａ〜３０ｈにおける液晶分子の配向方向は、扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａに対する角度が、各扇形領域の中心線と液晶層３０の扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面Ａとの角度の１／２となるように設定されている。そのため、交点ｃ１から入射直線偏光の偏光面Ａに沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°となる。このように、偏光面回転素子３から出射する光線は、光軸ＯＡを中心として放射状の直線偏光成分を持つ。
【００６０】
図６は、偏光変換素子１０４から出射するラジアル偏光６１の概略を示す図である。図６において、各矢印６１ａ〜６１ｈは、それぞれ、直線偏光成分を表す。また、各矢印のうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。さらに、輪帯状の領域６２ａ〜６２ｄは、それぞれ、位相反転素子２の第１の輪帯部分を透過した偏光成分を表す。また輪帯状の領域６２ｅ〜６２ｇは、それぞれ、位相反転素子２の第２の輪帯部分を透過した偏光成分を表す。
【００６１】
図６に示されるように、このラジアル偏光６１は、光軸ＯＡに対して放射状に偏光面を持つ８種類の直線偏光成分６１ａ〜６１ｈを有する。そして各直線偏光成分６１ａ〜６１ｈは、放射方向に沿って、位相反転素子２の透明電極２３、２４間に挟まれた第１の輪帯部分を透過した成分６２ａ〜６２ｄと、透明電極に挟まれていない第２の輪帯部分を透過した成分６２ｅ〜６２ｇに対応して７つに区分され、隣接する区分間で位相がπずれる。
【００６２】
なお、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光成分の偏光面は、交点ｃ１を中心とした放射状に分布すればよく、その偏光面は、透過した扇形領域の中心線と平行でなくてもよい。各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈを透過した偏光の偏光面が当該扇形領域及び交点ｃ１を通る所定の直線と平行となるように設定されればよい。例えば、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向と、扇形領域３０ａに入射した直線偏光の偏光面Ａとのなす角が、上記の（１）式で求められる値に所定のオフセット値を加えた値となるように、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの配向方向が設定されてもよい。この場合、所定のオフセット値は、各扇形領域３０ａ〜３０ｈの中心線と偏光面Ａとのなす角にそのオフセット値の２倍を加算した角度（すなわち、扇形領域を透過した偏光成分の偏光面と扇形領域３０ａに入射する直線偏光の偏光面とがなす角）が、隣接する扇形領域との境界が偏光面Ａとなす角度を超えないように、例えば、±５°に設定される。
【００６３】
また、偏光面回転素子３の液晶層３０が有する、配向方向の異なる領域の数は、８個に限られない。液晶層３０が有する配向方向が異なる領域の数は、ラジアル偏光による効果が得られるために必要な数であればよい。例えば、液晶層３０は、４、５、６あるいは１６個の互いに配向方向が異なる領域を有していてもよい。
【００６４】
図７は、液晶層３０が６個の扇形領域３０ｉ〜３０ｎを含むときの各扇型領域における液晶の配向方向と、各領域を透過した直線偏光の偏光方向を示す概略正面図である。なお、この変形例においても、透明電極３３、３４は、液晶層３０全体を挟んで対向するように配置される。
この変形例において、矢印４０ｉ〜４０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎに含まれる液晶分子の配向方向を表す。また、矢印５０ｉ〜５０ｎは、それぞれ、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎから出射する直線偏光の偏光面を表す。なお、矢印５０ｉ〜５０ｎのうち、矢印の先端が反対方向を向いている二つの矢印は、それら矢印で表される直線偏光の位相が互いにπだけずれていることを表す。
【００６５】
各扇形領域３０ｉ〜３０ｎのうち、光軸ＯＡと液晶層３０の交点ｃ１の上方に位置する扇形領域３０ｉでは、入射する直線偏光の偏光面Ａと、扇形領域３０ｉの中心線とが一致する。そのため、扇形領域３０ｉを１番目の領域とする。このとき、時計回り方向にｎ番目の扇形領域の配向方向は、例えば、その配向方向と偏光面Ａとがなす角が上記の（１）式に従って算出される角度となるように設定される。
この場合、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎの配向方向と扇形領域３０ａを通る偏光成分の偏光面Ａとがなす角は、それぞれ、時計回りを正として、０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°となる。
【００６６】
この場合も、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光に対して液晶層３０が半波長板として機能するように、扇形領域３０ｉ〜３０ｎを挟む透明電極３３、３４間には入射光の波長に応じた電圧が印加される。
これにより、交点ｃ１から入射直線偏光の偏光面に沿って上方を向く方向を基準とし、時計回り方向を正とすると、各扇形領域３０ｉ〜３０ｎを透過した直線偏光成分の偏光面の角度は、それぞれ、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°となる。このように、偏光面回転素子３から出射する光線は、光軸ＯＡを中心として放射状の直線偏光成分を持つ。
【００６７】
上記のように、位相反転素子２が入射光の一部の位相を反転させるために、一部の液晶分子２７の長軸方向を光軸ＯＡ方向に傾ける角度と、偏光面回転素子３が、直線偏光をラジアル偏光に変換するために、透明電極３３と３４間に印加された電圧によって、液晶分子３７の長軸方向を光軸ＯＡ方向に傾ける角度が等しくなるよう設定する。よって、コントローラ１１１は、各々適切な駆動電圧を用いて、液晶層２０及び液晶層３０を駆動することができる。
【００６８】
図８は、透明電極３３、３４間の液晶層３０に印加される電圧と液晶層３０により生じる常光線と異常光線の光路長差の一例を示す図である。
図８において、横軸は液晶層３０に印加される電圧を表し、縦軸は光路長差を表す。グラフ８０１は、波長４５０ｎｍを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ８０２は、波長５５０ｎｍを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。グラフ８０３は、波長７８０ｎｍを持つ光について、印加電圧と光路長差の関係を表す。
【００６９】
例えば、波長４５０ｎｍを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、４５０ｎｍの整数倍に２２５ｎｍを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ８０１を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差１１２５ｎｍに相当する約１．４Ｖｒｍｓの電圧が印加されればよい。
また、例えば、波長５５０ｎｍを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、５５０ｎｍの整数倍に２７５ｎｍを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ８０２を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差１３７５ｎｍに相当する約１Ｖｒｍｓの電圧が印加されればよい。
さらに、例えば、波長７８０ｎｍを持つ光に対して液晶層３０を半波長板として機能させるために、透明電極３３、３４間には、７８０ｎｍの整数倍に３９０ｎｍを加えた光路長差が生じる電圧が印加されればよい。そこでグラフ８０３を参照すると、透明電極３３、３４間に、光路長差１１７０ｎｍに相当する約１．１Ｖｒｍｓの電圧が印加されればよい。
【００７０】
以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る顕微鏡装置は、ラジアル偏光をサンプル上に焦点を結ばせるので、ｚ偏光効果によりその焦点近傍におけるスポット径を回折限界により規定されるスポット径よりも小さくできる。そのため、この顕微鏡装置は、サンプルの表面に平行な方向について、回折限界により規定される分解能よりも高い分解能を有することができる。また、この顕微鏡装置は、サンプル近傍における焦点深度を大きくすることができるので、サンプルの深さ方向について所望の位置に焦点を合わせることが容易である。
さらに顕微鏡装置に組み込まれた偏光変換素子が、輪帯状に、ラジアル偏光を形成する各直線偏光の一部の位相を他の部分の位相に対して反転させることができるので、そのラジアル偏光を集光することにより、効率的にｚ偏光効果を生じさせることができる。
【００７１】
さらに、顕微鏡装置に組み込まれた偏光変換素子は、液晶層によって入射した光の偏光面を制御するので、コントローラが液晶層に印加する電圧を調節することにより、光源が所定の波長域内の何れの波長を持つ直線偏光である照明光を出力する場合でも、偏光変換素子は照明光をラジアル偏光にできる。そのため、この顕微鏡装置は、所定の波長域内の何れの波長を持つ照明光を用いても、回折限界により規定される分解能よりも高い分解能を持つことができる。
【００７２】
なお、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、位相反転素子２の液晶層２０について、第２の輪帯部分に含まれる液晶分子２７を、光軸ＯＡに平行な方向に配向させてもよい。この場合において、液晶層２０と液晶層３０の厚さが同一であり、液晶層２０に含まれる液晶分子の光学特性及び電気特性と、液晶層３０に含まれる液晶分子の光学特性及び電気特性とが同一とすることができる。このように液晶分子２７が配向された場合、所定の波長に対して液晶層２０、３０の所定の領域が半波長板となる電圧は同一となるので、コントローラ１１１は、同一の波形及び振幅を持つ駆動電圧を用いて、液晶層２０及び液晶層３０を駆動することができる。
【００７３】
また、液晶層２０に印加する電圧を液晶層３０に印加する電圧と同一とする場合には、第１の輪帯部分では液晶分子２７の長軸方向が、第２の輪帯状部分では液晶分子２７の短軸方向が、位相反転素子２に入射する直線偏光の偏光面と平行となるように、液晶分子２７を配向してもよい。
【００７４】
また他の変形例によれば、位相反転素子２の第１の輪帯状部分を透過する光と第２の輪帯状部分を透過する光の間に、透明電極による光路長差が生じないように、第２の輪帯状部分についても、液晶層２０の両側に透明電極が形成されてもよい。
【００７５】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ、この変形例による、位相反転素子２の入射側に設けられた透明電極２３の概略正面図である。なお、透明電極２４は、上記の実施形態と同様に、液晶層２０全体を覆うように基板全面に形成される。なお、透明電極２４も、図９（Ａ）または図９（Ｂ）に示された透明電極２３の形状と同様の形状を有してもよく、あるいは、透明電極２４が図９（Ａ）または図９（Ｂ）に示された電極形状を有し、透明電極２３が液晶層２０全体を覆うように形成されてもよい。
【００７６】
透明電極２３は、光軸ＯＡと位相反転素子２の交点ｃ０を中心とする、円状の電極２３ａと、同心円状の少なくとも一つの輪帯状の電極とを有する。この変形例では、透明電極２３は、円状の電極２３ａの周囲に、５個の輪帯状電極２３ｂ〜２３ｆを有する。また、各電極間の隙間は小さい方が好ましい。なお、輪帯状電極２３ｆの外周が、図２に示された領域２ａの外周に対応する。
【００７７】
図９（Ａ）に示した例では、各輪帯電極は独立に制御可能なように、各輪帯電極から配線がそれぞれ引き出されており、その配線が駆動回路と接続されている。また図９（Ｂ）に示した例では、円状の電極２３ａから順に偶数番目の輪帯状電極同士、及び奇数番目の輪帯状電極同士がそれぞれ同一の配線で電気的に接続され、偶数番目の輪帯状電極と接続された配線及び奇数番目の輪帯状電極と接続された配線がそれぞれ駆動回路と接続される。これにより、偶数番目の各輪帯状電極は同一の電位で駆動可能となっている。同様に、奇数番目の各輪帯状電極も同一の電位で駆動可能となっている。また図９（Ｂ）では、奇数番目の輪帯状電極群と偶数番目の輪帯状電極群のうち、一方の電極群は電気的に制御されなくてもよい。この場合、他方の電極群と透明電極２４との間に電圧を印加することで、その他方の電極群と透明電極２４との間に挟まれた液晶層により、光の位相を反転可能である。なお、輪帯状電極も厚さがあるので、輪帯状電極を通った光の位相は、輪帯状電極を透過しない光の位相に対してずれる。そこで、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示されるように、電圧制御に利用される輪帯状電極だけでなく、電圧制御が不要な輪帯状電極も配置することで、位相反転素子２は、液晶層２０に電圧が印加されない場合に位相反転素子２を透過する光束のほぼ全体を同位相にすることができる。
【００７８】
さらに、電気的に制御する必要がない偶数番目、あるいは奇数番目の輪帯状電極群の電位を、その輪帯状電極群と対向する側の透明基板に設けられた透明電極２４と同一の基準電位、あるいは液晶層２０内の液晶分子が動作しない電位の最大値である閾値電位に設定することが好ましい。閾値電位は、一般には実効電圧で約１Ｖ〜２Ｖである。このように電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を設定することで、位相反転素子２は、液晶層２０の電位を一定に制御できるので、静電気等のノイズにより液晶層２０の液晶が誤動作することを防止できる。また電気的に制御する必要がない輪帯状電極群の電位を閾値電位とすることで、液晶層２０の熱揺らぎも抑制できる。
【００７９】
さらに、偏光変換素子１０４について、位相反転素子の位置と、偏光面回転素子の位置を入れ換えてもよい。
図１０（Ａ）は、位相反転素子の位置と偏光面回転素子の位置を入れ替えた、偏光変換素子１０４’の概略背面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示された矢印Ｙ、Ｙ′で示された線における偏光変換素子１０４’の概略側面断面図である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において、この偏光変換素子１０４’の各構成要素に対して、図２及び図３に示された第１の実施形態に係る偏光変換素子１０４の対応する構成要素と同様の参照番号を付した。
【００８０】
この偏光変換素子１０４’は、偏光面回転素子３と、光軸ＯＡに沿って偏光面回転素子３に隣接して配置され、ラジアル偏光に含まれる、光軸ＯＡを中心として放射状に分布した各直線偏光成分の一部の位相を反転する位相反転素子２’とを有する。
このうち、偏光面回転素子３の構成は、上記の実施形態による偏光面回転素子３の構成と同様である。偏光変換素子１０４’に入射する光は、直線偏光であり、偏光面回転素子３側から入射する。そしてその直線偏光は、偏光面回転素子３により、ラジアル偏光に変換された後、位相反転素子２’へ入射する。位相反転素子２’は、入射したラジアル偏光に含まれる各直線偏光成分の一部の位相を反転する。
【００８１】
ここで、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示されるように、位相反転素子２’は、液晶層２０と、光軸ＯＡに沿って液晶層２０の両側に配置された透明基板２１、２２を有する。そして液晶層２０に含まれる液晶分子２７は、透明基板２１及び２２と、シール部材２８との間に封入されている。また位相反転素子２’は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。さらに、透明電極２３と液晶層２０の間に配向膜２５が配置される。また透明電極２４と液晶層２０の間に配向膜２６が配置される。これら配向膜２５、２６は、液晶分子２７を所定の方向に配向させる。
さらに、各基板、各透明電極及び各配向膜の外周には鏡枠２９が配置され、この鏡枠２９が、各基板を保持している。
【００８２】
図１０（Ａ）に、液晶層２０に封入された液晶分子の配向方向を示す。液晶層２０に封入された液晶分子は、例えば、ホモジニアス配向される。また、液晶層２０は、光軸ＯＡと液晶層２０との交点ｃ０を中心として、円周方向に配置される複数の扇形領域２０ａ〜２０ｈを有する。
矢印は２１ａ〜２１ｈは、各扇形領域に含まれる液晶分子の配向方向を示す。矢印２１ａ〜２１ｈに示されるように、各扇形領域２０ａ〜２０ｈに封入された液晶分子は、その長軸方向が、交点ｃ０を中心とした放射方向を向くように配向される。そのため、偏光面回転素子３から出射した光の偏光面は、各扇形領域２０ａ〜２０ｈを透過しても回転しない。
【００８３】
各扇形領域２０ａ〜２０ｈは、それぞれ、図５に示される、偏光面回転素子３の液晶層３０の各扇形領域３０ａ〜３０ｈと光軸ＯＡ方向に投影した位置が等しくなるように設定されることが好ましい。この場合、扇形領域３０ａを透過し、交点ｃ１に対して放射状の偏光成分を持つ直線偏光は、扇形領域２０ａを透過する。同様に、扇形領域３０ｂ〜３０ｈを透過した直線偏光は、それぞれ、扇形領域２０ｂ〜２０ｈを透過する。
【００８４】
また、透明電極２３は、交点ｃ０を中心とした同心円状に配置された少なくとも１本の輪帯状の電極を有する。例えば、透明電極２３は、図４、図９（Ａ）または図９（Ｂ）に示された透明電極と同様の構造を有する。一方、透明電極２４は、液晶層２０全体を覆うように配置される。そして透明電極に挟まれた第１の輪帯部分２０ａを透過する光の位相が、透明電極に挟まれていない第２の輪帯部分２０ｂを透過する光の位相とπだけずれるように、透明電極２３、２４間に所定の電圧が印加される。
【００８５】
これにより、位相反転素子２’を透過したラジアル偏光において、そのラジアル偏光に含まれる各直線偏光成分のうち、第１の輪帯部分を透過した成分の位相が第２の輪帯部分を透過した成分の位相に対して反転する。したがって、この偏光変換素子も、入射した直線偏光を、図６に示されるような偏光面の分布と位相分布を持つラジアル偏光に変換できる。
【００８６】
また、偏光変換素子１０４’では、位相反転素子２’の液晶分子が、光軸と位相反転素子２’の交点を中心とした放射状に配向されているので、偏光変換素子に入射する直線偏光の偏光面と位相反転素子２’の液晶分子の配向方向を合わせる必要がない。また、入射する直線偏光の偏光面と、偏光面回転素子３の基準となる扇形領域（例えば、図５における領域３０ａ）の中心線とがずれていても、偏光面回転素子３は入射する直線偏光をラジアル偏光に変換できる。そのため、この偏光変換素子は、光学系への組み込みの際のアライメント調節を簡単化できる。
【００８７】
なお、液晶層２０に印加する電圧を液晶層３０に印加する電圧と同一とする場合には、第１の輪帯部分では液晶分子２７の長軸方向が交点ｃ０を中心とした放射方向を向くように、かつ、第２の輪帯状部分では液晶分子２７の長軸方向が交点ｃ０を中心とする円周方向を向くように、液晶分子２７を配向してもよい。
【００８８】
また、上記の実施形態による顕微鏡装置において、コントローラ１１１は、サンプル１２０の深さ方向、すなわち、光軸ＯＡに沿った方向の解像度を高くするために、偏光変換素子１０４または１０４’の各液晶層２０及び３０に印加する駆動電圧を、偏光変換素子１０４または１０４’が入射する直線偏光をラジアル偏光に変換しない電圧としてもよい。例えば、コントローラ１１１は、サンプル１２０の深さ方向の解像度を高くする場合、液晶層２０の各領域において常光線に対する光路長と異常光線に対する光路長の差が、光源１０１から出力される光の波長の整数倍となるように、液晶層２０に印加する駆動電圧を調節する。また、コントローラ１１１は、液晶層３０の第１の輪帯部分を透過する光の光路長と第２の輪帯部分を透過する光の光路長との差が光源１０１から出力される光の波長の整数倍となるように、液晶層３０に印加する駆動電圧を調節する。この場合、サンプル１２０の表面に平行な方向、すなわち、光軸ＯＡに直交する方向の解像度は、回折限界により規定される解像度となる。
【００８９】
一方、サンプル１２０の表面に平行な方向、すなわち、光軸ＯＡに直交する方向の解像度を回折限界により規定される解像度よりも高くする場合には、上記のように、コントローラ１１１は、偏光変換素子１０４または１０４’が入射した直線偏光をラジアル偏光に変換できるように偏光変換素子１０４または１０４’の各液晶層２０及び３０に駆動電圧を印加する。ただしこの場合には、直線偏光がサンプル１２０の物体面に集光されるときよりも、サンプル１２０の物体面に集光される光のスポット径が小さい範囲が深さ方向に長くなる。そのため、ラジアル偏光がサンプル１２０の物体面に集光されるときの深さ方向の解像度は、直線偏光がサンプル１２０の物体面に集光されるときの深さ方向の解像度よりも低下する。
【００９０】
このように、上記の実施形態による顕微鏡装置は、偏光変換素子の各液晶層に印加する駆動電圧を調節することで、ラジアル偏光をサンプルへ集光させてサンプルの表面に平行な方向の解像度を向上させるか、あるいは非ラジアル偏光をサンプルへ集光させて深さ方向の解像度を向上させることができる。
さらに、この顕微鏡装置は、上記のようなサンプルへ集光させる光を切り替えるために、各液晶層に対する駆動電圧を変更するだけなので、例えば、フォトニック結晶のような偏光面の回転量を調節できない素子を用いて作成された偏光変換素子が用いられる場合と異なり、機械的に顕微鏡装置の一部または全てを移動させる必要がない。そのため、この顕微鏡装置は、その光の切り替えの際に焦点位置がずれることを防止できる。
【００９１】
また、顕微鏡装置が有する光学系は共焦点光学系でなくてもよい。この場合、上記の実施形態による顕微鏡装置からマスク板が省略され、受光素子が集光レンズの焦点面に配置される。
あるいは、他の実施形態によれば、顕微鏡装置は、照明光学系と別個に観測光学系を有していてもよい。この場合には、例えば、照明光学系はサンプルの一方の面側に配置され、光源と、コリメートレンズと、偏光変換素子と、対物レンズとを有する。そして上記の実施形態と同様に、光源から出力された、直線偏光である照明光は、コリメートレンズによって平行光とされた後、偏光変換素子を通ってラジアル偏光に変換される。そしてラジアル偏光となった照明光が対物レンズによって対物レンズの焦点近傍に配置されたサンプルの表面または内部に設定された物体面上に集光される。なお、この場合も、偏光変換素子は、対物レンズの入射瞳面に配置される。これにより、照明光学系は、対物レンズの焦点面近傍においてｚ偏光効果を生じさせることができるので、照明光は、物体面上に回折限界により規定されるスポット径よりも小さなスポット径を持つように集光される。
一方、観測光学系は、サンプルの他方の面側に配置され、対物レンズと集光レンズとを有する。そして観測光学系は、照明光学系によって照明されたサンプルの像を受光素子に集光する。
【００９２】
さらに、顕微鏡装置に組み込まれる対物レンズは交換可能なものであってもよい。この場合、対物レンズによって瞳径が異なることがある。そこで、異なる瞳径の対物レンズが用いられても同様の超解像効果が得られるように、偏光変換素子の位相反転素子は、対物レンズの瞳径によらず、位相反転素子を透過した光束に光軸を中心とする同心円状の所定数の輪帯状部分を形成させ、隣接する輪帯状部分同士で位相を反転させることが好ましい。なお、所定数は２以上の整数であり、例えば３以上８以下の整数である。
なお、上記の実施形態による偏光面回転素子は、その構造上、瞳径の異なる様々な対物レンズにもそのまま適用可能である。
【００９３】
図１１（Ａ）は、このような課題を解決する変形例による位相反転素子の光の入射側の透明電極２３’の構造を示す概略正面図であり、図１１（Ｂ）は、変形例による位相反転素子の光の出射側の透明電極２４’の構造を示す概略背面図である。なお、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）において、透明電極２３’のサイズと透明電極２４’のサイズが異なることを理解し易くするために、位相反転素子の液晶層内のシール部材の内側境界２８１が示される。透明電極以外の位相反転素子の構造は、上記の実施形態の何れかによる位相反転素子の構造と同様とすることができる。そのため、ここでは、透明電極についてのみ説明する。
【００９４】
この変形例では、透明電極２３’は、光軸ＯＡと位相反転素子の交点ｃ０を中心とする、同心円状の７本の輪帯状の電極２３１ａ〜２３１ｇを有する。そして各輪帯電極により、交点ｃ０を中心とする半径ｒ１（すなわち、交点ｃ０から透明電極２３’の最外周の輪帯電極２３１ｇの外縁までの距離）の円形領域のほぼ全体が覆われている。この半径ｒ１は、例えば、相対的に大きな瞳径を持つ対物レンズが使用された場合に位相反転素子を透過する光束の半径と略等しくなるように設定される。
【００９５】
同様に、透明電極２４’も、交点ｃ０を中心とする、同心円状の７本の輪帯状の電極２４１ａ〜２４１ｇを有する。また各輪帯電極により、交点ｃ０を中心とする半径ｒ２（すなわち、交点ｃ０から透明電極２４’の最外周の輪帯電極２４１ｇの外縁までの距離）の円形領域のほぼ全体が覆われている。この半径ｒ２は、例えば、相対的に小さな瞳径を持つ対物レンズが使用された場合に位相反転素子を透過する光束の半径と略等しくなるように設定される。すなわち、半径ｒ２は、半径ｒ１よりも小さな値に設定される。
なお、透明電極２３’、２４’の何れについても、隣接する二つの輪帯電極同士は、それら輪帯電極の幅よりも狭い間隔を空けて配置され、互いに絶縁されている。
【００９６】
瞳径が相対的に大きい対物レンズが使用される場合、透明電極２４’が有する全ての輪帯電極に等電位となるよう通電され、一方、透明電極２３’については、輪帯電極１本おきに通電される。例えば、輪帯電極２３１ａ、２３１ｃ、２３１ｅ及び２３１ｇに通電され、輪帯電極２３１ｂ、２３１ｄ及び２３１ｆには通電されない。透明電極２３’のうちの通電された輪帯電極と透明電極２４’間の電圧を適切に調節することにより、その電極間に挟まれた液晶層を透過する光線の位相は、透明電極２３’中の通電されていない輪帯電極と透明電極２４’との間に挟まれた液晶層を透過する光線の位相に対してπだけずれる。
【００９７】
また、瞳径が相対的に小さい対物レンズが使用される場合、透明電極２３’が有する全ての輪帯電極に等電位となるよう通電され、一方、透明電極２４’については、輪帯電極１本おきに通電される。例えば、輪帯電極２４１ａ、２４１ｃ、２４１ｅ及び２４１ｇに通電され、輪帯電極２４１ｂ、２４１ｄ及び２４１ｆには通電されない。透明電極２４’のうちの通電された輪帯電極と透明電極２３’間の電圧を適切に調節することにより、その電極間に挟まれた液晶層を透過する光線の位相は、透明電極２４’中の通電されていない輪帯電極と透明電極２３’との間に挟まれた液晶層を透過する光線の位相に対してπだけずれる。
【００９８】
ここで、透明電極２３’が有する輪帯電極の数と透明電極２４’が有する輪帯電極の数は等しく、両透明電極の半径は異なる。そのため、この変形例による位相反転素子は、瞳径の異なる二つの対物レンズの何れが使用される場合にも、光束中に、隣接する部分同士で位相が反転している、光軸を中心とする同心円状の輪帯状部分を同数だけ形成させることができる。
【００９９】
なお、各透明電極が有する輪帯電極の数は、互いに異なっていてもよい。例えば、透明電極２４’は、透明電極２３’の半径と透明電極２４’の半径が等しくなるように、輪帯電極２４１ｇの外側にさらに１本以上の輪帯電極を有してもよい。
【０１００】
位相反転素子のさらに他の変形例によれば、位相反転素子の液晶層の一方に設けられる透明電極は、図３（Ａ）に示された透明電極２４のように、液晶層全体を覆うように配置され、液晶層の他方に設けられる透明電極は、図１１（Ａ）に示された透明電極２３’のように、液晶層のほぼ全体を覆うように設けられた同心円状の複数の輪帯電極を有してもよい。ただしこの変形例では、各輪帯電極の幅は、透明電極２３’の輪帯電極の幅よりも狭く、例えば、透明電極２３’の輪帯電極の幅の略１／１０〜略１／２に設定されることが好ましい。この場合、隣接する複数の輪帯電極を一つの組として、光軸との交点を中心とした放射方向に沿って、交互に通電する輪帯電極の組と通電しない輪帯電極の組が配置される。これにより、光束中に、隣接する部分同士で位相が反転している輪帯状部分が形成される。そして対物レンズの瞳径に応じて通電される輪帯電極の組を適切に選択することで、その瞳径によらず、所定数の輪帯状部分が形成される。
【０１０１】
なお、上述した偏光変換素子は、顕微鏡に限らず、様々な光照射装置に組み込んで利用することができる。例えば、偏光変換素子は、光照射装置の一例である光ピックアップ装置に組み込むことができる。
図１２は、偏光変換素子を有する光ピックアップ装置の概略構成図である。図１２に示されるように、光ピックアップ装置２００は、光源２０１と、コリメートレンズ２０２と、ビームスプリッタ２０３と、対物レンズ２０４と、結像レンズ２０５と、受光素子２０６と、偏光変換素子２０７と、コントローラ２０８と、アクチュエータ２０９とを有する。
【０１０２】
光源２０１、コリメートレンズ２０２、偏光変換素子２０７、ビームスプリッタ２０３及び対物レンズ２０４は、光軸ＯＡに沿って一列に配置される。そしてコリメートレンズ２０２、偏光変換素子２０７、ビームスプリッタ２０３及び対物レンズ２０４は、光源２０１から放射された光を記録媒体２１０上に焦点を結ばせる。一方、結像レンズ２０５及び受光素子２０６は、ビームスプリッタ２０３の側面において光軸ＯＡと直交する方向に配置される。そして、記録媒体２１０により反射または散乱された光は、対物レンズ２０４を通った後、ビームスプリッタ２０３により反射され、結像レンズ２０５によって受光素子２０６上に結像される。なお、理解を容易にするために図示していないが、光ピックアップ装置２００は、光路上に、球面収差用補償光学系など、各種の補償光学系を有していてもよい。
【０１０３】
光源２０１は、例えば半導体レーザを有し、直線偏光を出力する。
コリメートレンズ２０２は、その前側焦点に光源２０１が位置するように配置され、光源２０１から出力された直線偏光を平行光にする。
偏光変換素子２０７は、上記の実施形態またはその変形例の何れかによる偏光変換素子であり、対物レンズ２０４の前側瞳面に配置される。本実施形態では、偏光変換素子２０７は、コリメートレンズ２０２とビームスプリッタ２０３の間に配置される。そして偏光変換素子２０７は、コリメートレンズ２０２を透過した後に偏光変換素子２０７に入射した直線偏光をラジアル偏光に変換する。偏光変換素子２０７は、例えば、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光面回転素子が有する液晶層の各領域のうち、直線偏光の偏光面を回転させない領域（例えば、図５に示した扇形領域３０ａ）に含まれる液晶分子の配向方向が、偏光変換素子２０７に入射する直線偏光の偏光面と略一致し、他の領域の液晶分子の配向方向と入射する直線偏光の偏光面との間の角が、偏光面を回転させる角度の１／２となるように配置されることが好ましい。
【０１０４】
対物レンズ２０４は、偏光変換素子２０７から出射したラジアル偏光に、記録媒体２１０上に焦点を結ばせる。この場合、焦点近傍では、対物レンズ２０４により集光された光はｚ偏光となる。そのため、焦点近傍における光のスポット径は、回折限界により規定されるスポット径よりも小さくすることができる。例えば、本実施形態によるスポット径は、回折限界により規定されるスポット径の約１．５〜約１．７分の１となる。また、この光ピックアップ装置２００は、集光された光の焦点深度も大きくすることができる。
さらに、対物レンズ２０４には、トラッキング用のアクチュエータ２０９が取付けられている。アクチュエータ２０９が、図中の矢印Ｚの方向に対物レンズ２０４を移動させることによって、対物レンズ２０４によって集光される光ビームが、記録媒体２１０のトラックに正確に追従する。またアクチュエータ２０９は、コントローラ２０８と接続され、コントローラ２０８からの制御信号に応じて対物レンズ２０４を移動させる。
【０１０５】
記録媒体２１０により反射または散乱された光は、記録媒体２１０のトラック面上に記録されている情報（ピット）によって振幅変調されている。この光は、再度対物レンズ２０４を透過して平行光となる。そしてその光は、ビームスプリッタ２０３により反射され、結像レンズ２０５に入射する。そして結像レンズ２０５は、入射した光を受光素子２０６上に結像する。
【０１０６】
受光素子２０６は、例えば、アレイ状に配列された複数のＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳなどの半導体受光素子を有する。そして各半導体受光素子は、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する。そして受光素子２０６は、各半導体受光素子が出力した電気信号を平均し、その平均値に相当する電気信号を、受光した光の強度を表す光強度信号としてコントローラ２０８へ伝達する。
【０１０７】
コントローラ２０８は、受光素子２０６から受信した光強度信号から記録情報を読み出す。またコントローラ２０８は、偏光変換素子２０７及びアクチュエータ２０９を制御する。そのために、コントローラ２０８は、偏光変換素子２０７が有する駆動回路と接続される。またコントローラ２０８は、受光素子２０６と接続され、受光素子２０６から光強度信号を受信する。そしてコントローラ２０８は、偏光変換素子２０７が光源２０１から出力された直線偏光をラジアル偏光に変換できるように、偏光変換素子２０７の各液晶層に印加する電圧を調節する。具体的には、コントローラ２０８は、偏光変換素子２０７が有する駆動回路へ出力する電圧調整信号を変えることにより、偏光変換素子２０７の各液晶層に印加する電圧を調節しながら、光強度信号を取得し、電圧値と光強度信号値を対応付けて内蔵するメモリに記憶する。そして、コントローラ２０８は、メモリに記憶した光強度信号及び電圧値から、光強度信号が最大値となる電圧値を決定し、その電圧に応じた電圧調整信号を偏光変換素子２０７の駆動回路へ送信する。そして偏光変換素子２０７の駆動回路は、コントローラ２０８から受信した電圧調整信号に応じた駆動電圧を、各液晶層に印加する。
【０１０８】
以上説明してきたように、偏光変換素子を用いた光ピックアップ装置は、ラジアル偏光に記録媒体上に焦点を結ばせるので、ｚ偏光効果によりその焦点近傍におけるスポット径を回折限界により規定されるスポット径よりも小さくできる。そのため、この光ピックアップ装置は、回折限界により規定される分解能よりも高い分解能を有することができる。したがって、この光ピックアップ装置は、回折限界により規定される分解能で決められた記録密度よりも高い記録密度を持つ記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。また、この光ピックアップ装置は、記録媒体近傍における焦点深度を大きくすることができるので、記録媒体と光ピックアップ装置間の距離変動による読取エラーの発生を抑制することができる。
【０１０９】
ピックアップ装置は、互いに波長が異なる光を出力する複数の光源を有してもよい。例えば、光ピックアップ装置２００は、光源２０１とは別個に第２の光源（図示せず）と、各光源から出力された光を偏光変換素子２０７へ向ける第２のビームスプリッタ（図示せず）をさらに有していてもよい。この場合、光源２０１から出力された光が記録媒体２１０に集光されるだけでなく、第２の光源から出力された光も、第２のビームスプリッタによって反射された後、ビームスプリッタ２０３、偏光変換素子２０７及び対物レンズ２０４を介して記録媒体２１０に集光されるように、例えば、コリメートレンズ２０２とビームスプリッタ２０３の間に第２のビームスプリッタが配置され、その第２のビームスプリッタの側方に、第２の光源が配置される。
【０１１０】
コントローラ２０８は、光源または第２の光源の何れか一方に出力させるとともに、図８で説明したように、光を出力中の光源に応じた電圧調整信号を偏光変換素子２０７の駆動回路へ送信することにより、偏光変換素子２０７がその光源からの光をラジアル偏光に変換することを可能にする。これにより、光ピックアップ装置は、複数の光源の何れから出力された光も、回折限界により規定されるスポット径よりも小さいスポット径を持つように記録媒体２１０上に集光できる。
また、偏光変換素子２０７は、記録媒体２１０で反射または散乱された光も透過するように、ビームスプリッタ２０３と対物レンズ２０４との間に配置されてもよい。
【０１１１】
なお、偏光変換素子を用いた光照射装置は、レーザメス、レーザ加工機といった光を用いて対象物を加工する光加工装置であってもよい。この場合、偏光変換素子は、上記の光ピックアップ装置と同様に、直線偏光を出力する光源と、光を集光する対物レンズの間、特に、対物レンズの光源側の瞳面に配置される。これにより、対物レンズの焦点近傍において、集光された光はｚ偏光となる。そのため、偏光変換素子を用いた光加工装置は、加工可能な最小サイズを回折限界よりも小さくすることができる。
さらに、偏光変換素子を用いた光照射装置は、干渉計といった、光を用いての形状を測定する装置であってもよい。この場合も、偏光変換素子は、直線偏光を出力する光源と、光を集光する対物レンズの間、特に、対物レンズの光源側の瞳面に配置される。
【０１１２】
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【０１１３】
１００    顕微鏡装置
１０１    光源
１０２    コリメートレンズ
１０３    ビームスプリッタ
１０４、１０４’    偏光変換素子
１０５    対物レンズ
１０６    集光レンズ
１０７    マスク板
１０８    受光素子
１０９    可動ステージ
１１０    アクチュエータ
１１１    コントローラ
２、２’    位相反転素子
３    偏光面回転素子
２０、３０    液晶層
２０ａ〜２０ｈ、３０ａ〜３０ｎ    扇形領域
２１、２２、３１、３２    透明基板
２３、２４、３３、３４、２３’、２４’    透明電極
２５、２６、３５、３６    配向膜
２７、３７    液晶分子
２８、３８    シール材
２９、３９    鏡枠
２００    光ピックアップ装置
２０１    光源
２０２    コリメートレンズ
２０３    ビームスプリッタ
２０４    対物レンズ
２０５    結像レンズ
２０６    受光素子
２０７    偏光変換素子
２０８    コントローラ
２０９    アクチュエータ
２１０    記録媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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